欢迎收听《科学有故事》比科学故事更重要的是科学精神关于黑洞的故事我们必须要从牛顿开始讲起你可能会觉得奇怪黑洞不是爱因斯坦提出了相对论之后才有的东西吗怎么和牛顿扯上关系了
历史往往比我们想象的更有趣也更出人意料你可能想不到就在爱因斯坦还没有出生前的一百多年甚至在人们连光到底是粒子还是波都还没有炒明白的时候就有人而且还不止一个已经模模糊糊的预见到了宇宙中可能存在一种特别怪异的天体他们把这种天体呢叫看不见的发光体
就是说这种天体会发光但是我们却看不见你听着好像不合逻辑有点矛盾对吧别急你继续听我往下讲那既然我要用一个长长的系列节目把黑洞给讲透我就必须要先带着你回顾一下牛顿和他提出的万有引力定律
一个广为流传的故事就是苹果砸到了牛顿的脑袋上结果砸出了万有引力当然这个故事多半是后人编出来的用来说明伟大的发现往往源于对日常现象的深度思考
但是他背后的核心思想却是真的牛顿确实是从苹果落地这件我们看来再平常不过的事情中通过他那天才般的思考洞察到了一个极其不平常的具有宇宙普遍性的真理牛顿天才的洞察到让苹果掉下来的力和让月亮绕着地球转地球绕着太阳转的力是同一种力也就是万有引力
宇宙中任何有质量的东西从苹果到行星都在互相拉扯
这想法在当时可以说是石破天惊它打破了天上和地下具有不同规则的旧观念更厉害的是牛顿不仅是定性还定量他用一个简洁而优美的数学公式就是那个著名的 F 等于 GMM 除以 R 的平方外有引力定律的公式精确地描述了这个力的大小
那么如果用自然语言来说就是外有引力的大小它与物体的质量成正比与距离的平方成反比这个定律是如此的优美简洁它能自然而然的推导出开普勒行星运动三定律精确的预言日月星辰的运行规律精确到分秒不差
万有引力定律加上牛顿运动三定律就建成了整个牛顿经典力学的大厦牛顿也因此被封神
就在牛顿去世后没有多少年大概是 1783 年英国有一名名叫约翰·米歇尔的牧师当然这位牧师可不是我们印象中那种只懂念经不道的普通神职人员他是博学多才而且对地质学天文学都有着浓厚的兴趣是一位相当厉害的自然哲学家他甚至还被认为是地震学之父
这位米歇尔神父呢在他研究地震波思考地球构造之余也开始琢磨起牛顿的万有引力定律了牛顿在他的《传世名著自然哲学的数学原理》这本书中用万有引力定律推导出了一个逃逸速度公式
什么意思呢就是从任何一个天体的表面向上抛一个球如果这个球出手的速度能达到根号下的 2gm 除以 r 就能逃脱天体的引力飞向外太空我来用自然语言解释一下刚才那个公式啊
也就是说把天体的质量乘以 2 再乘以万有引力常数 g 然后除以天体的半径得到的结果再开一个平方根这个数值就叫做逃逸速度用这个公式很容易算出地球的逃逸速度就是 11.2 千米每秒这也就是所谓的第二宇宙速度米歇尔看到这个逃逸速度脑子里突然就蹦出一个非常怪异的念头
他想啊如果这个逃逸速度达到了光的速度会怎样呢我必须要插入一个背景知识在米歇尔的年代人们对光的认知呢普遍是接受牛顿的威力说的
也就是说牛顿认为光是由一颗颗极其微小的光粒子构成的这些光粒子虽然小但它本质上和一个有质量的小球是一样的每一个光粒子也都遵循着牛顿运动三定律和万有引力定律米歇尔的想法是如果一个天体的逃逸速度真的达到甚至超过了光速
那是不是就意味着就算这个天体本身在发光那些光粒子也不可能飞得出去向上飞不了多高就会被天体的巨大引力给拽回来就像我们往天上扔一块石头不管怎么扔最后这块石头总是会掉下来一样这么一想米歇尔就得出了一个在当时看来绝对算得上是异想天开的结论
他想宇宙中可能存在一种完全看不见的星星他把它叫做暗星就是 Dark Star 这种星星质量巨大或者极其致密引力超强以至于连光粒子都无法从它的表面逃脱所以我们永远也看不见它
米歇尔还动手做了这样的一个计算如果一个和我们的太阳质量差不多的恒星它的半径被某种神秘的力量压缩到只有大约三公里左右那么它就会变成一颗暗星
怎么样,米歇尔神父的脑洞够大吧尽管他自己也觉得有点异想天开但他还是挺认真的把自己的想法给写成了一封长信寄给了当时英国皇家学会的大佬也是一位著名的科学怪才亨利·卡文迪许卡文迪许就是那个性格极其孤僻身居简出但第一个精确测量出引力常数计和地球质量的牛人
米歇尔跟他分享了自己的这个惊人的脑洞可惜啊卡文迪许这位老兄呢可能性格实在是太内向了可能啊他觉得米歇尔的这个想法太离奇了不知道该怎么回答总之呢他收到信后呢也没怎么吭声但米歇尔的这封信还是被卡文迪许推荐发表在了 1784 年的英国皇家学会的自然科学汇报上
不过这个异想天开的想法在当时的英国并没有引发任何的波澜我估计看到他的科学家们都是咧嘴一笑把他当一种科幻创意来看的他们哪里想得到后来发生的事情呢我们先上个小广告广告之后见
在这颗蓝色星球上植物展开了一场壮丽的生存史诗它们虽然不会动却拥有令人惊叹的生存优势我是汪洁在我的付费专辑《植物的战斗》中我们将一起探索这些静默的生命是如何改变环境如何在不利条件下竞争
如何以其智慧和坚韧不拔的生命力演绎了一部惊心动魄的生命史让我们一起走进植物的世界有意思的是科学史上经常会出现这种英雄所见略同的情况伟大的想法有时会在不同的地方独立萌发就像春天里的种子条件合适就会破土而出
差不多在米歇尔提出暗心想法的同一时期也就晚了这么个十几年大概是 1796 年隔着一条窄窄的英吉利海峡在法国也有一位科学巨匠独立的想到了类似的问题
这位大神就是皮埃尔·西蒙·拉普拉斯拉普拉斯是谁他可是当时欧洲科学界的泰山北斗级人物被誉为法国的牛顿他在数学物理学天文学领域都有卓越的贡献他的地位那可比那位香奸牧师米歇尔神父可高多了他在完善和发展牛顿的天体力学体系的时候写了一部红篇巨著叫做《天体力学》
这本书简直就是牛顿写的那本《原理》的续集和详解他把牛顿开创的体系推向了顶峰拉普拉斯这个人是非常的自信据说有一次拿破仑问他你的宇宙体系里怎么没有提到上帝啊他很酷地回答说陛下我不需要那个假设
就是这样一位自信满满的科学巨匠在他那部严谨的天体力学的一个早期版本中他也从牛顿的引力定律出发认真思考了逃逸速度的问题但是他的计算和思考的路径跟米歇尔略有不同他考虑的是密度他在书里写道大意是这样的一个密度和我们地球差不多但是直径却有太阳 250 倍那么大的发光恒星
由于它自身极其强大的引力作用将不允许任何它发出的光线离开它的表面因此宇宙中可能存在着和太阳一样大甚至更大的我们却永远无法看见的黑暗天体
你看啊这多有意思两位不同国家远隔千里的学者一位是英国的米歇尔一位是法国的拉布拉斯可能呢他们压根就不知道对方的存在但是他们都基于同一个坚实的理论基础也就是牛顿的定律通过各自独立的思考和计算路径居然不约而同的得出了如此相似在当时看来又如此惊世骇俗的结论
在宇宙中可能存在着连光都无法逃脱的黑暗天体这种现象在科学史上其实并不少见当一个理论足够成熟的时候某些重要的推论或者新的发现往往就会像熟透了的果子一样呼之欲出被不同的科学家同时或者先后想到
这往往也说明这个想法可能触及到了某些更深层次的更本质的东西或者说是当时理论发展的逻辑壁栏这也从侧面反映了牛顿引力理论的强大威力和深刻内涵它竟然能够蕴含着如此极端的可能性预示着宇宙中可能存在着远超我们日常经验的奇异现象
不过据说拉普拉斯后来在他著作的后续版本中又把关于黑暗天体的这段论述给删掉了为什么呢可能是因为他觉得这个想法实在是太离奇了而且完全没有任何观测证据的支持放在他那本以精确计算著称的严谨著作中显得有点格格不入太像科幻了所以他就干脆删除了
也有人推测可能是因为后来光的波动学说逐渐兴起拉普拉斯就意识到如果光是一种波那牛顿的引力理论可能就不适用了因为逃逸速度的这个公式要成立的前提那是光粒子必须要有质量的但如果光是一种波那就不存在质量这样的概念了但不管怎么说这反映了拉普拉斯严谨的智学态度
很遗憾的是米歇尔和拉普拉斯都没能活到爱因斯坦提出广义相对论的时代
他们都没能看到自己的离奇的想法最终成真的时刻当然严格说起来爱因斯坦自己也没看到不过我必须要强调的是暗星和黑洞虽然听起来很像都强调了光无法逃脱这一点但米歇尔和拉布拉斯是基于牛顿理论提出的暗星跟我们现代物理学基于广义相对论理解的黑洞其实是有着本质的区别
可以说他们只是形似而神不似理解这一点非常重要否则我们就无法理解科学是如何进步的也无法理解爱因斯坦的革命性贡献在哪里那么他们到底差在哪呢
他们的理论基础是完全不同的这一点是最关键的也是最根本的区别米歇尔和拉布拉斯的想法是完完全全建立在牛顿的经典引力理论和当时流行的光的威力学说的基础上的但是牛顿的理论在光的面前其实是无效的因为光子不是牛顿设想的那种威力它的奇特性质远比牛顿认识的要复杂的多得多
现代黑洞理论则是建立在爱因斯坦的广义相对论这个全新的理论框架之上的广义相对论彻底颠覆了牛顿的引力观
至于广义相对论中的黑洞是怎么回事我们后面专门要做很多期节目来详细的介绍我一定要想办法让你听得明明白白让你对黑洞的认知超越绝大多数普通人现在你只需要知道今天介绍的米歇尔和拉布拉斯的暗心他们和黑洞在理论上有本质不同就可以了但我们必须又要承认米歇尔和拉布拉斯非常有洞察力
他们把牛顿引力理论通过合理的逻辑推演导向极端情况体现了他们非凡的思考能力这种想象力是值得我们学习的
而米歇尔和拉普拉斯的思考过程给我们展示了科学探索中非常重要的一步那就是在吃透了某个理论之后进行严密的逻辑推演大胆地探索这个理论可能导向的各种极端结论哪怕这些结论看起来非常的奇怪甚至有点毁我们的三观
那这种敢于把理论推向极致进行思想实验的探索精神当然是非常非常可贵的没有这种精神很多科学突破可能就无从谈起了牛顿自己就非常擅长思想实验比如让他真正思考出万有引力定律的思想实验叫做牛顿大炮实验他设想如果在地球上有一门超级大炮这门大炮发出的炮弹速度极快
那快到什么程度这颗炮弹就永远也掉不回地面上了呢正是从这个脑洞大开的思想实验牛顿找到了万有引力定律的公式
但是我们也要明白仅仅有逻辑推演是不够的一个想法要从一个有趣的猜想或者思想实验升级成为一个能够被科学界普遍接受的科学理论那还需要迈过好几道坎满足更严格的条件就像鲤鱼跳龙门一样不是光凭想象就能过去的
科学不仅要定性更重要的是定量我常常对青少年说指定性不定量的叫哲学家你们想当科学家的话那就必须学会计算科学家必须要建立起明确的数学模型用精准的数学方程来描述这个现象的性质产生的条件以及它可能引发的其他后果并且一定要能做出可以被检验的定量的预言
你看米歇尔和拉普拉斯都尝试进行了计算虽然他们的计算是基于旧理论的但这种定量的尝试本身就是向科学理论迈进的重要一步没有数学的支撑科学理论就是空中楼阁无法进行精确的预测和检验物理学很大程度上就是用数学语言来描述自然规律的学科还有
还有最重要的一点就是任何科学理论都需要提出可以被检验的证据一个理论说的再天花乱坠数学上再完美如果找不到任何可以通过实验或者观测来验证它的方法那它就很难被科学界真正的接受最多呢只能算是一个有趣的假说从这个标准来看米歇尔和拉布拉斯的暗心想法
在当时来看都只能算是一个无法被证伪的有趣假说这也是为什么米歇尔论文发表后没人重视而拉普拉斯自己把这个想法从书中删除的原因他们其实自己也明白我提出的这个想法虽然是基于现有理论的推演结果他很新颖很大胆但怎么能够找到一个完全不发光光也跑不出来的东西呢
所以他们的想法虽然很超前很有启发性但在当时并没有引起太大的波澜很快就被人们淡忘了淹没在了历史的长河中成了科学史固执堆里一个有趣的注脚这个呢其实并不算太冤枉我觉得这才是对的相反啊假如他们的暗心猜想一出来就引起了巨大的反响那反而只能说明大多数人还缺乏科学思维
而黑洞的身份确认之路远比大多数人以为的要更加艰辛他需要耐心等待爱因斯坦带来全新的时空观作为理论的基石需要等待史瓦西这样的数学家给出精确的数学解描绘出他的轮廓他还需要等待钱德拉塞卡奥本海默这些物理学家揭示恒星死亡后可能坍缩成这种极端天体的物理过程
更需要等待一代又一代的天文学家们利用越来越强大的望远镜在茫茫宇宙中找到那些若隐若现的观测证据这是一个跨越了两个多世纪凝聚了无数顶尖智慧的漫长而曲折的探索故事充满了智慧的闪光也充满了人类认识自然的艰辛
那么真正让黑洞这个概念脱胎换骨从一个基于经典理论的逻辑推论变成现代物理学预言的宇宙怪物的关键一步是什么呢毫无疑问那就是要等到我们下一位重量级的主角阿尔伯特·爱因斯坦的登场他带来的广义相对论将彻底改变我们对引力对时间对空间的理解
他也为黑洞的诞生这个连爱因斯坦自己一开始都讨厌的东西奠定了坚实的理论基础可以说没有爱因斯坦就没有我们今天所谈论的黑洞
好那么下一期节目我们就来看看爱因斯坦是如何凭借他那天才的头脑掀起这场颠覆牛顿统治了 200 多年的引力革命的那么时空弯曲到底是怎么回事他又是如何不可避免的预言了黑洞这个宇宙中最奇特的天体的存在呢科学有故事我们下期接着聊科学声音
你们听到这期节目的时候呢我应该正在墨西哥拍摄寻觅自然恐龙灭绝这次呢我们是拿着墨西哥领事馆发的拍摄签证出发的我想啊应该不至于再被拒绝入境了上次呢都有阴影了这次我把所有的资料都背的足足的什么各种机票啊酒店啊邀请函啊行程表啊拍摄计划剧本拍摄许可等等准备了一大堆的材料以备入境的时候被盘问
今天我还有个重要的消息要告诉大家由中国青少年科技教育工作者协会主办的 2025 科技活动周校园科普电影公益放映活动即将开始了在今年的 5 月 24 号到 30 号之间的全国科技活动周期间全国所有的中小学都可以向青科协申请公益放映科普电影寻觅自然地球往事
请您帮忙把这个消息扩散一下关注寻觅自然或者中国青少年科技教育工作者协会的官方微信公众号就可以在第一时间获得报名表申请在您或者您孩子的学校公益放映寻觅自然地球往事我还会在科技活动周期间走进几所中小学与广大师生一起看电影交流互动这次是机会难得请不要错过
好了那么黑洞史话的下期节目可能要请大家耐心多等待一周才能继续更新了我会在旅途或者拍摄的间隙利用碎片化时间继续写作这个系列那我们下期再见